南京地铁线网能源管理中心

黄明才，方漫然



南京地铁线网能源管理中心

黄明才，方漫然

（南京地铁运营有限责任公司，南京 210012）

南京地铁线网化运营后，根据现有运营线路能源管理系统情况，规划建立了车站级、线路级和线网中心级3级的企业能源管理系统架构，以实现企业能源科学化管理和分析。线网能源管理中心建设首先要统一能耗数据模型，选择接入系统的能耗参数，确定中心级和线路级之间的通信协议和数据接入方案。线网能源管理中心系统硬件主要是服务器和存储设备，系统软件设计为一个分层、分布的大型系统，采用6层架构设计、规划了5个功能模块、配置了3类服务器，实现了数据查询、统计分析、限额管理、定额管理和用能指标管理等多项功能，提高了南京地铁能源精细化管理水平。

城市轨道交通；地铁线网；能管中心；能源管理

地铁具有耗电量大、运行成本高的行业特点，能源消费是地铁运营成本的一项主要支出。随着南京轨道交通线网的迅速扩展，3号线、10号线、S1机场线、S8宁天线陆续投入运营，南京地铁能耗飞速增长，2015年电耗达到4.288 8×108kW·h。为了提高企业节能减排效率，南京地铁先后完成了1、2号线能源管理系统的建设工作，并在新线同步建设了能源管理系统。但是由于设计及招标等方面的原因，各线能源管理系统由不同的承包商承建，所采用的系统硬件与软件差异较大，在表计设置、能管软件界面、系统功能、能耗报表等各个方面存在较大差异。

随着运营能源管理工作的深入，考虑后续线路能源管理系统的增加，需要合理规划企业能源管理系统架构，全面监测运营能源消耗情况，实现能源科学化管理和分析，决定建设线网能源管理中心。

1 总体架构

南京地铁能源管理系统总体架构设计由车站级、线路级和线网中心级3级结构组成。车站级主要设备为数据采集器、多功能电表等，负责具体用电回路参数的采集、存储及上传。线路级主要设备为数据服务器、web服务器和工作站，通过运行能管软件可实时显示系统所有电表运行状态及参数，查询服务器历史数据，进行统计、分析，生成各类能耗报表[1]。线网中心级主要进行线网各线能耗数据的统计、分析，对整个公司的用电进行全面管理[2]。车站级、线路级已经在各个线路建设完成，本项目重点是线网中心级平台的设计和建设，总体架构如图1所示。

图1 能源管理系统总体架构

2 平台建设基础

线网能源管理中心平台需将现运营的1号线、2号线、3号线、10号线、S1机场线、S8宁天线6条线路能源数据接入，并留有足够的空间接入后续线路的能源数据。系统在建设前需要统一能耗分类、分项及分户模型，明确传输协议、传输参数选择和数据接入方案。

2.1 能耗分类、分项及分户模型

在进行线网能源管理中心建设时，首先要统一各线的能耗数据模型，并要求所有线路进行统一应用，从而在分项与分项、车站与车站、线路与线路之间进行比较分析。根据南京地铁的实际能耗以及用能设备的组成情况，按照地铁能源管理要求，统一能耗分类、分项及分户模型[3]。

2.2 线网平台接入参数选择

目前各个线路都采用多功能计量表，可采集包括功率、电流、电压、功率因数等20多个参数，初步统计现有6线的表计超过1万只。考虑到后续线路的陆续接入，最终接入表计要超过4万只，各个线路关系约1 000条，地铁全线的线路关系约1.7万条。每个采集频次下，变量、线路关系都在数据库中产生1条记录，约占用25B空间。采集频次设定为10 min，即每个变量、关系每天产生144条记录。按上述数据估算，每增加1个变量每年需要53 GB的存储空间。因此线网能源管理中心平台需要控制接入参数的数量，根据日常工作经验，线网能源管理中心平台主要针对能耗进行分析，所以采用最简方式：只接入线路各类能耗有功功率和实时负荷，其他参数不上传线网平台，需要在线路能源管理系统上查询、分析。

2.3 线网平台与线路系统的通信协议

各个线路能源管理系统不同，后续线路能源管理系统也会存在差别，线网能源管理中心平台与线路能源管理系统需要建立统一的通信协议[4]，本项目中各线路能源管理系统与中心平台之间采用TCP 连接方式进行交互，默认端口为9999（端口可配置）。有效数据内容为经过AES（128 位）加密后的XML数据，包括站点信息、表计信息及变量信息，传输频率为10 min，子站每隔10 min向主站传输1次数据，数据的间隔时间也为10 min。

2.4 数据接入方案

各个线路能源管理系统服务器都放置在相应线路的调度中心，地理位置较远，尚无专网连接，但是线路能源管理系统软件普遍采用B/S架构，通过web服务器接入公司OA网络，所以本项目中线网能源管理中心平台与线路能源管理系统之间通过企业OA网络连接，两者之间的数据接入采用数据库层接入方案，设立中间数据库，由线路能源管理系统按照约定格式，将数据实时存放入中间数据库中。线网级能源管理平台访问中间数据库获取数据。方案如图2所示。

图2 数据库层采集方案

使用该方案由线网能源管理中心平台负责设计中间数据库结构、部署中间数据库服务器、开发和部署数据采集程序，线路能源管理系统只需开发、部署数据录入程序，双方工作范围明确，对运维中出现的各项问题能及时定位和处理，工作效率高。

3 系统建设

线网能源管理中心平台硬件设备比较简单，主要设备是服务器、光纤交换机和光纤存储设备[5]。平台软件是项目的重点，设计为一个分层、分布的大型系统，采用系统门户、应用层、服务层、数据层、数据服务总线、数据采集中心6层架构设计（见图3），规划用能监测、统计分析、能效评估及辅助决策、用能安全管理等5个主模块，配置了实时数据库、运营数据库、业务数据库3类数据库，保证了系统的可靠性及可扩展性。

4 平台主要功能

线网能源管理中心平台采用B/S架构，具有图形化的全中文人机界面、模块化结构、易于使用、配置灵活、操作便捷、人机交互简单清晰，便于扩展等特点，可直观查询各线路及各站点能耗数据，并支持各线路、各站点能耗横向对比，以及展示各类统计报表。

线网能源管理中心软件界面包含首页、数据查询、统计指标等多个模块，除了线路级能源管理系统具备的基本功能外，还结合南京地铁能源管理工作实际增加了部分功能。其中首页概览以区域化面板显示南京地铁总体用能情况；数据查询模块用于实时查询各用能站点用电数据；统计指标模块主要用于横向对比各线路、各站点能耗数据，并提供诸多报表配合展示[6]；定额管理模块可以用于设定用能线路或站点的年、月能耗定额，支持计划用量与实际用量对比，以及计划费用与实际费用对比，使得用户对用能额度了然于胸[7]。主要特色功能介绍如下。

4.1 数据查询

线网能源管理中心平台主要是针对线路、站点及各能耗类别的查询，为了实现快速查询，系统设置了分户树和分项树，在分户树中可选择线路、站点、基地和区间，分项树则是按照统一制定的分项规则，选择动力照明和牵引用电，并可在动力照明用电下继续细分照明、通风空调、动力、特殊等分项，也可继续往下分项。再结合时段的选择，可快速实现站点与分项能耗和负荷的查询显示，如图4所示。

图3 线网能源管理中心平台软件架构

图4 数据查询

4.2 限额报警

通过制定异常用能规则，系统定时监测站点用能是否达到设定阈值，超过设定时将进行报警[8]。异常用能规则条件设定为两类，一类为汇总用能，另一类是上涨百分比，选择监控时间段内用能上限阈值，可选择上周、上月、去年同期的汇总用能与同期比较，可以单独设置上限值，也可单独设置上涨百分比，或者使用两者结合方式，满足其中一个条件则进行报警显示，如图5所示。

图5 限额报警规则制定

通过该功能可对关键表计和关键用能设备进行限额管理，出现报警及时进行干预，现场核查表计，从而发现用能异常。

4.3 定额管理

该模块主要结合南京地铁车站能耗定额管理工作，用于设置车站能耗定额，查看实际用能与定额用能的差距，对发生超额用电的车站进行分析，对车站用能定额管理工作执行情况进行监督。在“能源目标管理编辑”中编辑车站每月定额指标，在实际运行中，与实际用电量约定额指标进行比较，如图6所示，计划用量以曲线显示，实际用量以柱状展示，两者对比清晰，对于实际值大于设定值，代表超出定额，以红色柱体标识；实际值小于设定值，代表节能，以蓝色柱体标识。图形下方以表格形式显示实际值与设定值，系统计算实际值与设定值间的差额，实际值大于设定值的数值以红色字体标识。

图6 定额管理显示界面

4.4 用能指标管理

南京地铁建立了9个用能指标，分别为单位建筑面积动力电耗、单位建筑面积照明电耗、单位建筑面积空调电耗、每车公里牵引电耗、每乘次牵引电耗、每乘次动力电耗、每人公里牵引电耗、每人公里动力电耗、每人公里总电耗[9]。能管中心软件平台目前主要通过计算导出这些指标值，通过同比和环比的分析，对指标异常的线路、车站、分项，结合现场实际检查，提出整改措施。后续准备进行能耗大数据的聚类研究，建立符合南京地铁的用能指标体系[10]。

5 结语

南京地铁线网能源管理中心平台已经建成使用，目前可查询、分析1号线、2号线、3号线、10号线、S1机场线、S8宁天线6条线路的能源数据，从而方便地实现了分项与分项、车站与车站、线路与线路之间能耗的比较分析、车站能耗定额管理、关键用能设备的限额报警等功能，为能源管理人员进行能耗管理提供极大的帮助。后续随着新建线路能耗数据的接入，各线能耗数据的积累，能耗数据挖掘方法的完善，对南京地铁能源管理工作将发挥更大的作用。

[] 黄明才, 李广刚. 南京地铁1号线能源监管系统[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 95-98.HUANG Mingcai, LI Guanggang. Energy management system of Nanjing metro line 1[J]. Urban rapid rail transit, 2011, 24(3): 95-98.

[2] 蔡月忠. 企业能源中心(能源管理系统(EMS))简论[C]//江苏省计量测试学术论文集(2011). 2011-12-01.

[3] 城市轨道交通能源管理系统技术规程: DG J32/TJ 132—2011[S]. 南京: 江苏科技技术出版社, 2012. Technical code for energy management system of urban rail transit: DGJ 32/TJ 132—2011[S]. Nanjing: Jiangsu Science and Technology Publishing House, 2012.

[4] 聂秋平, 吴敏, 张超, 等. 钢铁企业能源中心系统设计[J]. 控制工程, 2011, 18(3): 424-428. NIE Qiuping, WU Min, ZHANG Chao, et al. Design of energy center system for an iron and steel enterprise[J]. Control engineering of China, 2011, 18(3): 424-428.

[5] 南京地铁运营有限责任公司. 南京地铁线网级能源管理平台招标文件[A]. 南京, 2014.

[6] 王凯. 大型钢厂能耗数据实时监测及查询系统[D]. 北京: 北京交通大学, 2008. WANG Kai. The real-time detecting and querying system for energy consuming data in large steel plant[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008.

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[8] 杨雪. 空气质量自动监控系统构建设想[J]. 科技信息, 2013(17): 454.

[9] 城市轨道交通路网运营指标体系: DB 11/T 814—2011[S]. 北京: 北京市轨道交通指挥中心, 2011. Operational index system of urban rail transit network: DB 11/T 814—2011[S]. Beijing: Beijing Rail Transit Com­mand Center, 2011.

[0] 南京地铁运营有限责任公司. 南京地铁能耗大数据和环控节能关键技术研究招标文件[A]. 南京, 2015.

（编辑：曹雪明）

The Energy Management Center of the Nanjing Metro Network

HUANG Mingcai, FANG Manran

(Nanjing Metro Operation Limited Liability Company, Nanjing 210012)

After the Nanjing metro line achieved network operation, we, according to the existing operating line energy management system, planned the establishment of a three-level (station-level, line-level, and network-center-level) enterprise energy management system architecture to analyze and improve enterprise energy management. The construction of the network energy management center should first unify the energy consumption data model, select the energy consumption parameters of the access system, and determine the communication protocol and data access scheme between the center level and the line level. The system hardware is mainly a server and storage device. The system software is designed as a hierarchical and distributed large-scale system. It adopts a six-layer architecture design; plans five function modules; configures three types of servers; and implements the data query, statistical analysis, quota management, and energy management indicators, among many other functions, to meticulously improve the Nanjing metro energy management level.

urban railway; metro network; energy management center; energy management

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.022

U231

A

1672-6073(2018)04-0114-05

2017-07-14

2017-09-07

黄明才，男，双学士学位，工程师，从事地铁能源管理及节能技术研究应用方面的工作，37856867@qq.com